Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Vektorové prostory. študenti MFF 15. augusta 2008

Σχετικά έγγραφα
Lineárna algebra I - pole skalárov, lineárny priestor, lineárna závislosť, dimenzia, podpriestor, suma podpriestorov, izomorfizmus

Vektorový priestor V : Množina prvkov (vektory), na ktorej je definované ich sčítanie a ich

Matematika Funkcia viac premenných, Parciálne derivácie

Lineárne kódy. Ján Karabáš. Kódovanie ZS 13/14 KM FPV UMB. J. Karabáš (FPV UMB) Lineárne kódy Kodo ZS 13/14 1 / 19

1 Úvod Predhovor Sylaby a literatúra Základné označenia... 3

Motivácia Denícia determinantu Výpo et determinantov Determinant sú inu matíc Vyuºitie determinantov. Determinanty. 14. decembra 2010.

x x x2 n

1. Limita, spojitost a diferenciálny počet funkcie jednej premennej

Ekvačná a kvantifikačná logika

VLASTNÉ ČÍSLA A JORDANOV KANONICKÝ TVAR. Michal Zajac. 3 T b 1 = T b 2 = = = 2b

Goniometrické rovnice a nerovnice. Základné goniometrické rovnice

G. Monoszová, Analytická geometria 2 - Kapitola III

1. POLIA A VEKTOROVÉ PRIESTORY. V tejto kapitole zavedieme dva druhy algebraických štruktúr, ktoré budú hrať v celom

Tomáš Madaras Prvočísla

Matematika 2. časť: Analytická geometria

1-MAT-220 Algebra februára 2012

Obvod a obsah štvoruholníka

Start. Vstup r. O = 2*π*r S = π*r*r. Vystup O, S. Stop. Start. Vstup P, C V = P*C*1,19. Vystup V. Stop

1 Úvod Sylabyaliteratúra Základnéoznačenia... 3

Prirodzené čísla. Kardinálne čísla

BANACHOVE A HILBERTOVE PRIESTORY

(IP3) (f, g) = (g, f) (symetria), (IP4) (f, f) > 0 pre f 0 (kladná definitnosť). Z podmienok (IP1) (IP4) sa ľahko dokážu rovnosti:

Matematika prednáška 4 Postupnosti a rady 4.5 Funkcionálne rady - mocninové rady - Taylorov rad, MacLaurinov rad

Úvod 2 Predhovor... 2 Sylaby a literatúra... 2 Označenia... 2

1 Polynómy a racionálne funkcie Základy Polynómy Cvičenia Racionálne funkcie... 17

Obsah. 1.1 Reálne čísla a ich základné vlastnosti Komplexné čísla... 8

Gramatická indukcia a jej využitie

Matematika 2. časť: Funkcia viac premenných Letný semester 2013/2014

MIDTERM (A) riešenia a bodovanie

7. FUNKCIE POJEM FUNKCIE

2. prednáška. Teória množín I. množina operácie nad množinami množinová algebra mohutnosť a enumerácia karteziánsky súčin

Vzorové príklady s riešeniami k lineárnej algebre a geometrie pre aplikovaných informatikov k písomke

Cvičenie č. 4,5 Limita funkcie

Komplexné čísla, Diskrétna Fourierova transformácia 1

Príklady na precvičovanie Fourierove rady

7 Derivácia funkcie. 7.1 Motivácia k derivácii

13. EUKLIDOVSKÉ PRIESTORY

6 Limita funkcie. 6.1 Myšlienka limity, interval bez bodu

Funkcie - základné pojmy

Planárne a rovinné grafy

2 Základy vektorového počtu

4. Výrokové funkcie (formy), ich definičný obor a obor pravdivosti

Úvod do lineárnej algebry. Monika Molnárová Prednášky

II. Diferencovateľné variety

p(α 1 ) = u 1. p(α n ) = u n. Definícia (modulárna reprezentácia polynómu). Zobrazenie

množiny F G = {t1, t2,, tn} T a pre ľubovoľný valec C so základňou B1, B2,, Bn v bodoch t1, t2,, tn, takou, že pre t G - F je Bt = E, platí PF(C) = PG

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Priamkové plochy. Ak každým bodom plochy Φ prechádza aspoň jedna priamka, ktorá (celá) na nej leží potom plocha Φ je priamková. Santiago Calatrava

MATEMATIKA I. Doc. RNDr. Michal Šabo, CSc

Deliteľnosť a znaky deliteľnosti

Matematika 2. Lineárna algebra. (ver )

Numerická lineárna algebra. Zobrazenie

Integrovanie racionálnych funkcií

Motivácia pojmu derivácia

Analytická geometria

NUMERICKÁ MATEMATIKA. Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť/ Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ. Fakulta elektrotechniky a informatiky

Goniometrické substitúcie

ALGEBRA. Číselné množiny a operácie s nimi. Úprava algebrických výrazov

FUNKCIE N REÁLNYCH PREMENNÝCH

Reálna funkcia reálnej premennej

XVIII. ročník BRKOS 2011/2012. Pomocný text. Kde by bola matematika bez čísel? Čísla predstavujú jednu z prvých abstrakcií, ktorú

Podmienenost problému a stabilita algoritmu

7. Dokážte, že z každej nekonečnej množiny môžeme vydeliť spočítateľnú podmnožinu.

24. Základné spôsoby zobrazovania priestoru do roviny

MATEMATICKÁ ANALÝZA 1

Obyčajné diferenciálne rovnice

Výroky, hypotézy, axiómy, definície a matematické vety

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzita Komenského v Bratislave. dizertačná práca

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy

TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH STROJNÍCKA FAKULTA MATEMATIKA 1. Funkcia jednej premennej a jej diferenciálny počet

M086 LA 1 M106 GRP. Tema: Baza vektorskog prostora. Koordinatni sustav. Norma. CSB nejednakost

Linearna algebra 2 prvi kolokvij,

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

3. kapitola. Axiomatická formulácia modálnej logiky Vzťah medzi syntaxou a sémantikou. priesvitka 1

DIFERENCÁLNE ROVNICE Matematická analýza (MAN 2c)

Mini minimaliz acia an BUˇ Koˇ sice 2011

Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej x. Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej y. Ak existuje limita.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΓΡΑΜΜΙΚΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΕΙΣ

4 Reálna funkcia reálnej premennej a jej vlastnosti

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY RIGORÓZNA PRÁCA. Martin Samuelčík

Symbolická logika. Stanislav Krajči. Prírodovedecká fakulta

Funkcie komplexnej premennej

ZÁPISKY Z MATEMATICKEJ ANALÝZY 1

Ján Buša Štefan Schrötter

MATEMATICKÁ OLYMPIÁDA

Elementi spektralne teorije matrica

PageRank algoritmus. Univerzita Komenského v Bratislave Fakulta Matematiky, Fyziky a Informatiky

Súčtové vzorce. cos (α + β) = cos α.cos β sin α.sin β cos (α β) = cos α.cos β + sin α.sin β. tg (α β) = cotg (α β) =.

PREHĽAD ZÁKLADNÝCH VZORCOV A VZŤAHOV ZO STREDOŠKOLSKEJ MATEMATIKY. Pomôcka pre prípravný kurz

1. písomná práca z matematiky Skupina A

zlomok poznatel nej časti skutočnosti. Robí tak prostredníctvom svojich pojmov (tento proces môžeme nazvat formalizácia), jej hlavnou úlohou je potom

MATEMATIKA I ZBIERKA ÚLOH

SOPSTVENE VREDNOSTI I SOPSTVENI VEKTORI LINEARNOG OPERATORA I KVADRATNE MATRICE

Teória pravdepodobnosti

Prednáška Fourierove rady. Matematická analýza pre fyzikov IV. Jozef Kise lák

Polynómy. Hornerova schéma. Algebrické rovnice

Numerické metódy matematiky I

Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ M A T E M A T I K A

radni nerecenzirani materijal za predavanja R(f) = {f(x) x D}

Úvod do lineárnej algebry

Transcript:

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Vektorové prostory študenti MFF 15. augusta 2008 1

9 Vektorové priestory Požiadavky Základné vlastnosti vektorových priestorov, podpriestorov generovania, lineárna závislost a nezávislosť. Veta o výmene Konečne generované vektorové priestory, báza. Lineárne zobrazenie. Ako zdroj pre vypracovanie otázky boli použité vlastné poznámky z prednášok Lineárna algebra Jiřího Fialu a suborkové texty. 9.1 Definície Nech (T, +, ) je teleso a V je množina (jej prvky nazývame vektory) s binárnou operáciou + a : T V V je zobrazenie, potom (V, +, ) sa nazýva vektorový prostor nad telesom T ak je splnených nasledujúcich 8 axiomov. (SA) u, v, w V : (u + v) + w = u + (v + w) (asociativita súčtu) (SK) u, v V : u + v = v + u (komutativita súčtu) (S0) 0 V : u + 0 = 0 + u = u (neutrálný prvok súčtu) (SI) u V u V : u + ( u) = 0 (inverzný prvok súčtu) (NA) a, b T u V : (a b) u = a (b u) (asociativita súčinu) (N1) u V : 1 u = u kde 1 T je jednotkový prvok telesa T (D1) a, b T u V : (a + b) u = a u + b u (distributivita) (D2) a T u, v V : a (u + v) = a u + a v (distributivita) Príklady {0}... triviálny vektorový priestor T n aritmetický vektorový priestor dimenzie n nad telesom T. Ide o usporiadané n-tice, kde + je definované predpisom a násobenie predpisom (x 1,..., x n ) + (y 1,..., y n ) = (x 1 + y 1,..., x n + y n ) α(x 1,..., x n ) = (αx 1,..., αx n ) Z každého telesa T je možné vybudovať vektorový priestor rovnakej veľkosti V = T 1 R, Q, C, Z p,..., R 2, Q 2,... Matice typu m n nad T (pre konkrétne m, n) Polynomy nad T (napríklad obmedzeného stupňa) 2

9.2 Vlastnosti vektorových priestorov Pozorovanie 1. 0, u sú určené jednoznačne. 2. a T u V : a 0 = 0 u = 0 3. a T u V : a u = 0 a = 0 u = 0. Nech (V, +, ) je vektorový priestor nad telesom T a U V, U taká, že u, v U : u + v U (uzavretosť na súčet) u U a T : a u U (uzavretosť na súčin) potom (U, +, ) nazývame podpriestorom V. Pozorovanie Podpriestor je tiež vektorový priestor. Veta Prienik ľubovolného systému podpriestorov je podpriestor. (Lineárny obal, množina generátorov) Nech V je vektorový priestor nad telesom T a X je podmnožina V, potom L(X) = {U X U, U je podpriestor V } je podpriestor V generovaný X nazývaný lineárny obal X. Množina X sa potom nazýva systém generátorov podpriestoru L(X). Keď L(X) = V, potom X je systém generátorov vektorového priestoru V. Definice Spojení dvou podprostorů je podprostor W 1 W 2 = L(W 1 W 2 ) Veta Lineárny obal L(X) obsahuje všetky lineárne kombinácie vektorov z X. L(X) = {w w = n a i u i, n 0, n konečné, i : a i T, u i X} i=1 Špeciálne v prípade, že X = a teda n = 0, platí L(X) = {0}. 3

Nech V je vektorový priestor nad telesom T, potom n-tica vektorov v 1,..., v n V je lineárne nezávislá, ak rovnica a 1 v 1 + a 2 v 2 + + a n v n = 0 má iba triviálne riešenie a i = 0 pre všetky i {1, 2,..., n} Nekonečná množina vektorov je lineárne nezávislá, ak každá jej konečná podmnožina je lineárne nezávislá. Pozorovanie X je lineárne nezávislá práve keď u X : u L(X \ {u}) 1. Obsahuje-li systém x 1,..., x n nulový vektor, je závislý. 2. Obsahuje-li systém x 1,..., x n dva stejné vektory, je závislý. 3. Pro libovolná reálná čísla β 2,..., β n je systém x 1,..., x n lineárně závislý, právě když je systém x 1 + n i=2 β ix i, x 2,..., x n lineárně závislý. (Inak povedané, ak pričítame k jednému vektoru ľubovolnú lineárnu kombináciu ostatných vektorov, nezmeníme tým ich lineárnu závislosť.) 1. Podsystém lineárně nezávislého systému je lineárně nezávislý. 2. Nadsystém systému generátorů je systém generátorů. Nech V je vektorový priestor. Množina X V sa nazýva báza vektorového priestoru V ak je lineárne nezávislá L(X) = V (Inak povedané, báza je lineárne nezávislý systém generátorov.) Veta Každý prvok vektorového priestoru možem vyjadriť ako lineárnu kombináciu prvkov jeho báze a toto vyjadrenie je jednoznačné. Vyjadrenie vektoru u V vzhladom k báze X sa nazýva vektor súradníc. Značí sa [u] X. (x 1,..., x n ) = X je báza V, u V : u = a 1 x 1 + a 2 x 2 + + a n x n [u] X = (a 1,..., a n ) 4

9.3 Veta o výmene Lemma (o výmene) Nech v 1, v 2,..., v n je systém generátorov priestoru V a pre u V platí u = a 1 v 1 + a 2 v 2 + + a n v n, potom platí i : a i 0 L(v 1, v 2,..., v i 1, u, v i+1,..., v n ) = V (Inak povedané, vektor bázy ktorý sa podielal na vytvorení vektoru u, možme s u zameniť.) Dôkaz Pre ľubovolné w V, môžme písať w = b 1 v 1 + b 2 v 2 +... b n v n. Do tohoto vyjadrenia miesto v i dosadíme vyjadrenie v i z rovnice u = a 1 v 1 + a 2 v 2 + + a n v n, čím dostaneme vyjadrenie ľubovolného w pomocou v 1, v 2,..., v i 1, u, v i+1,..., v n, z čoho výplýva, že tieto vektory sú tiež systém generátorov. Veta (Steinitzova o výmene) Nech V je vektorový priestor, X V je lineárne nezávislá a Y V je konečný systém generátorov. Potom existuje Z V také, že Z = Y L(Z) = V Z \ X Y X Z (V krátkosti povedané - každý nezávislý systém vektorov X je možné, pridaním vektorov zo systému generátorov Y, rozšíriť na systém generátorov V.) Dôkaz Ak X Y sme hotoví a Z = Y. Inak vezmeme Y a postupne do neho začneme pridávať prvky z X \ Y. Pri každom pridaní, podľa lemmy o výmene, jeden prvok z tejto množiny odstránime. Po poslednej iterácii získame hľadané Z. (Pri každej iterácií vyhadzujeme jeden prvok, ktorý nepatrí do X, pretože X je lineárne nezávislá.) Dôsledok Ak má V konečnú bázu, majú všetky bázy rovnakú veľkosť. Dôsledok Ak má V konečnú bázu, potom môžme každú lineárne nezávislú množinu X doplniť na bázu. Veľkosť bázy konečne generovaného priestoru V sa nazýva dimenzia priestoru V. Značíme dim(v ). Buďte W 1, W 2 konečně generované podprostory vektorového prostoru V. Potom dim W 1 + dim W 2 = dim(w 1 W 2 ) + dim(w 1 W 2 ) 5

9.4 Lineárne zobrazenie Definice (lineární zobrazení) Mějme vektorové prostory V, W. Řekneme, že zobrazení f : V W je lineární, jestliže pro libovolná x, y V a a, b T platí f(a x + b y) = a f(x) + b f(y) Definice (lineární operátor) Lineární zobrazení f : V V se nazývá lineární operátor. Příklady 1. Identické zobrazení V na V (to je příklad lineárního operátoru). 2. Buď α pevné reálné číslo. Zobrazení V V dané předpisem x αx. 3. Derivace je lineární zobrazení z množiny reálných spojitých funkcí C 1 (J) do množiny reálných funkcí F (J). 4. V R 2 jsou lineární zobrazení např. zrcadlení (x, y) ( x, y) nebo zkosení (x, y) (x + y, y). Definice (Hodnost lineárního zobrazení) Pro lineární zobrazení f : U V mezi dvěma vekt. prostory definujeme jádro zobrazení (Ker f) jako množinu Ker f = f 1 [{0}]. Obraz zobrazení f (Im f) je množina Im f = f[u]. Jako hodnost zobrazení f označíme číslo dim(ker f). (Základní vlastnosti lineárního zobrazení) Nechť f : V W je lineární zobrazení. Potom platí: 1. f(0 V ) = 0 W 2. Im f je podprostor prostoru W 3. Ker (f) je podprostor prostoru V 4. f je prosté, právě když Ker (f) = {0} 5. je-li dim V = dim W a je-li zobrazení f prosté, potom je f bijekce a inversní zobrazení f 1 : W V je opět lineární. (O dimenzi obrazu a jádra) Pro f : U V mezi dvěma vektorovými prostory konečné dimenze platí: dim(ker f) + dim(im f) = dim(u) (Báze určuje lineární zobrazení) Mějme dány vektorové prostory V, W a bázi B = b 1,..., b n prostoru V. Potom pro každé lineární zobrazení f : B W existuje právě jedno lineární zobrazení g : V W takové, že f(b i ) = g(b i ) i {1,..., n}. Jiná formulace: Pro libovolné vektory y 1,..., y n W existuje právě jedno lineární zobrazení g : V W takové, že g(b i ) = y i i {1,..., n}. 6

Definice (Isomorfismus) Lineární zobrazení se nazývá isomorfismus, existuje-li k němu inversní lineární zobrazení. Pokud existuje isomorfismus V W, říkáme, že prostory V a W jsou isomorfní. Je-li lineární zobrazení bijektivní, je to isomorfismus. (Isomorfismus vekt. prostorů nad T) Každý n-dimensionální vektorový prostor nad tělesem T je isomorfní vekt. prostoru T n (tj. jehož prvky jsou uspořádané n-tice prvků z T). (Další vlastnosti lin. zobrazení) 1. Je-li lineární zobrazení prosté, zachovává lineární nezávislost. 2. Je-li na (surjekce), zachovává vlastnost být systémem generátorů. (Skládání lineárních zobrazeni) Nechť f : U V, g : V W jsou lineární zobrazení. Potom složené zobrazení g f : U W definované předpisem je rovněž lineárním zobrazením. (g f)(x) = g(f(x)) pro x U (Sčítání a násobky lin. zobrazení) Nechť f, g jsou lineární zobrazení z vekt. prostoru V do W, α skalár. Potom zobrazení f + g : V W a αf : V W definovaná předpisem jsou lineární zobrazení V do W. (f + g)(x) = f(x) + g(x), x V (αf)(x) = αf(x), x V (Množina lineárních zobrazení je vekt. prostor) Množina lineárních zobrazení prostoru V do prostoru W s operacemi sčítání a násobení skalárem, definovanými v předchozí větě, tvoří vektorový prostor, který značíme L(V, W ). Nechť dim V = n a dim W = m. Potom prostor L(V, W ) je isomorfní prostoru R m n. V důsledku toho je dim L(V, W ) = mn 7